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“ANÁLISIS TEÓRICO Y PRÁCTICO DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE SISTEMAS DE EMULSIÓN INVERSA” T E S I S Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O DE I N G E N I E R O P E T R O L E R O P R E S E N T A : IVÁN ALEJANDRO ALEJANDRO DIRECTOR DE TESIS: QUÍM. ROSA DE JESÚS HERNÁNDEZ ÁLVAREZ CIUDAD UNIVERSITARIA, MÉXICO, D. F. 2012 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. IVÁN ALEJANDRO ALEJANDRO AGRADECIMIENTOS ii Agradecimientos. A ti DIOS: “A ti DIOS de mis padres, doy gracias y alabo. Tu que me has dado la vida, que desde el principio de los tiempos conoces mi destino, quien día a día guía e ilumina mi camino, a quien le debo todo lo que soy, gracias a tu infinito amor me das la alegría de terminar mis estudios académicos como Ingeniero Petrolero, solo te pido que me proveas de sabiduría y me ayudes para servir en bien de lo que hoy tu me concedes…” "Poderoso… Santo... SANTO DIOS PODEROSO… Reinas en MAJESTAD… GLORIOSO REY… Majestuosamente REYNAS… HIJO DE DIOS… Eterno… VERDAD… Santo DIOS…Digno de TODA LA ADORACIÓN… REY DE REYES… Consejero…Príncipe de Paz…Padre Eterno… Una cosa he demandado… “Buscare CONTEMPLAR la hermosura del SEÑOR Y RECREARME EN SU HABITACIÓN…” Mi corazón arde por ti... Quiero adorarte… Tu Eres la Única Luz del Mundo… EL GRAN YO SOY… El ETERNO… MI DIOS"… “TE EXALTAMOS.... JESÚS… ” A mí amada MADRE Felicitas Alejandro Antonio: Gracias mami por el gran amor y devoción que le tienes a tus hijos, por el apoyo ilimitado e incondicional que siempre me has dado, por que siempre tienes la fortaleza de salir adelante sin importar los obstáculos, por escucharme, aconsejarme, por luchar por mi, por haberme formado como un hombre de bien, y por ser la mujer que me dio la vida y me enseño a vivirla. Gracias mamá por pasar noches enteras orando y velando por mi cuando yo estaba en un problema o cuando estaba enfermo, por compartir todas mis alegrías y por ayudarme en mis tristezas, porque sufriste días y noches enteras en hacer lo mejor para que yo pudiera cumplir mi mayor deseo y quizás el sueño de mi vida. Mi corazón nunca jamás dejara de quererte, porque el día que eso suceda entonces ya no latirá. Le doy gracias a DIOS porque te tengo, y porque puedo compartir cada minuto de mi vida contigo mami, gracias, sólo gracias y siempre recuerda que eternamente estaré contigo. A mi PADRE Israel Alejandro de Jesús: Mil gracias por ser el pilar y sustento de nuestra familia y por que siempre estuviste con nosotros a pesar de todo, por que me viste crecer y me levantaste cada que tropezaba. Porque admiro como llevas tu vida de trabajo, de exigencias y cansancio sólo para que a nosotros nunca nos falte nada. En tus ojos veo tu frustración y desesperación por querer darnos más de lo que nos ofreces, aunque eso signifique que tú no tengas nada. Siempre seré tu hijo y quiero que sepas que si hay algo en lo que te pueda ayudar, siempre contaras conmigo, pues tu así lo hiciste conmigo. http://www.shoshan.cl/cartas/carta_110.html IVÁN ALEJANDRO ALEJANDRO AGRADECIMIENTOS iii A mis HERMANAS: Alondra: Tú que eres mi hermana, la mayor, tantos momentos felices que hemos compartido juntos desde que éramos pequeños. Gracias por ser parte de mí, por que me consolaste cuando más lo necesitaba, por que tu alegría siempre me animaba cuando estaba triste y solo, por tu comprensión y apoyo cuando lo necesite, sé que en ti encontré alguien en quien confiar. Yo siempre estaré a tu lado. Tú, que eres para mí una segunda madre... Te quiero mucho hermanita. Cristal: La audaz y autoritaria hermana que DIOS me dio, gracias hermanita por apoyarme y seguir conmigo cuando vivimos días sombríos y de angustia. Siempre pensé que nuestra amistad sería especial, que sería capaz de sobrepasar las barreras, supe que ambos teníamos que enseñarnos que la vida nos tenía sorpresas preparadas para el futuro, cosas buenas y malas; la mayoría de las veces las cosas malas nos enseñarían a no equivocarnos de nuevo. Siempre contaras con mi apoyo y siempre te llevare en mi corazón. Blanca Itzayana: La bebita de la familia, querida hermanita cuanto tiempo ha pasado y la verdad es que de toda la vida que te conozco, nunca te he escrito o regalado algo parecido. Gracias Blanquita, la que cuando estoy mal, siempre me apoya y me da su aliento, la que siempre espera, y me saca una sonrisa aun así yo este de malas. Sabes que yo siempre voy a estar para ti, que nunca vas a estar sola, Siempre voy a estar defendiéndote hasta de lo indefendible, dándote todo mi apoyo incondicional, preparándote para que en el futuro puedas afrontar la vida con entusiasmo y con convicción, vas a ver que nada malo te va a pasar, porque siempre ahí, junto a ti voy a estar. Emilio: Sabes que desde lo profundo de mi corazón siempre desee tener un hermano, sobre todo cuando estaba solo y necesitaba de alguien que me escuchara, que me aconsejara, con quien platicar mi sentir en momentos de angustia. Si DIOS me concediera un deseo como me gustaría que ese ser fueras tú. Te agradezco por tu amistad, tu comprensión y apoyo en los momentos más trágicos de mi vida, nunca olvidare todo lo que has hecho por mí. A mis sobrinas Alondrita y Emily: Mis dos bebitas, que con su inteligencia, gracias y ocurrencias siempre me ponían de buenas y me animaban. Gracias por que siempre he pensado que México requiere de valores que se formen desde su niñez, espero en mi puedan ver un ejemplo a seguir, siempre poniendo su fe y confianza en DIOS, yo siempre y en todo momento lo hago. A mi tío Vidal y su familia: Gracias por ser un padre para mi, por haberme enseñado el valor de la vida y el trabajo, tus sabios consejos siempre los tomare en cuenta en cada proyecto que realice, gracias por orientarme por el camino del bien ser, por que tus palabras a pesar de ser fuertes siempre estaban fundamentadas en la razón, gracias tío por todo el apoyo que incansablemente me brindaste, siempre confiaste en mi, siempre tendrás en mi a un hijo. IVÁN ALEJANDRO ALEJANDRO AGRADECIMIENTOS iv A la maestra ROSA DE JESÚS HERNÁNDEZ ÁLVAREZ: Un eterno agradecimiento a mi querida y estimada maestra Rosita, mentora y responsable directa de mi formación profesional en los últimos años, quien compartió conmigo sus bastos conocimientos, valores, forma de ser y manera de pensar, muchas gracias por todo lo recibido durante mi estancia como colaborador suyo durante tres años consecutivos, sus buenas enseñanzas y atenciones hacia mi persona marcaron mi vida para bien, para mi siempre fue un alto honor estar a su lado, nunca olvidare las exhortaciones y las enseñanzas de vida que aprendí a su lado, pido a DIOS que la cuide mucho y le de salud y felicidad, pues México se mantiene aun de pie por mexicanos como usted, muchas gracias por todo... Usted un digno ejemplo a seguir... A mi Jurado de Examen Profesional: Un gran agradecimiento a mis apreciables sinodales por el tiempo y dedicación brindadopara la realización de mi tesis, sus consejos y observaciones fueron de gran ayuda en lo personal: Ing. Rafael Viñas Rodríguez, Ing. José Agustín Velazco Esquivel, I. Q. María Cristina Avilés Alcántara, Ing. Edgar Antonio Meza Pérez. A mis AMIGOS: Enrique, Buzquet, Esteban, Xanat, Yanine, Tun, Alexis, Cipriano, Edison, Edgar, Mirna, Carolina, Israel Amador y todos mis compañeros de la UNAM e IPN con quien tuve la dicha de trabajar y compartir estudios, gracias por las increíbles experiencias, anécdotas y lecciones de vida a lo largo de nuestra amistad, tantos episodios compartidos juntos que pareciese que todo era parte de una fantástica película, los gratos recuerdos los llevare siempre en mi ser, se que en un futuro no muy lejano DIOS nos dará la oportunidad de trabajar juntos en bien de nuestro querido México, tal como siempre lo hemos deseado. A la UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO: “Mi alma mater, mi amada Universidad, la máxima casa de estudios de América Latina” Quien me adopto como uno de sus hijos y a quien debo mi formación profesional como Ingeniero Petrolero. El día que por primera vez forme parte de ti, fue un sueño cumplido, hoy que dejo el lugar que ocupe durante 5 años prometo siempre velar por tu bien, nuestro querido México te necesita mucho. Siempre viviré agradecido por todos los maestros, los conocimientos, las aulas, los recintos de consulta, las becas y todo aquello que pusiste a mi alcance siempre con el fin de formar a un mexicano ávido y comprometido en trabajar para y por el bien de su pueblo. Siempre estaré muy orgulloso de haber formado parte de tu prestigiada comunidad universitaria, puesto que fui hecho en CU y tal como lo dice tu toque de guerra, cuando nos llamas a pelear por el bien de todos, en todo momento pondré en practica lo que tu me enseñaste, muchas gracias... “Por mi raza hablara el espíritu” ... México… Ingeniería... Universidad… ÍNDICE. v Índice. Agradecimientos. ............................................................................................................ ii Indice. .............................................................................................................................. v Objetivo . ...................................................................................................................... viii Alcance. ........................................................................................................................... ix Intrducción. ..................................................................................................................... x I. Antecedentes. 1.1 Importancia y trascendencia de la emulsión inversa en la explotación de campos petroleros. ..................................................................................................................... 1 II. Fundamentos teóricos que determinan la limpieza del agujero de acuerdo al comportamiento hidráulico. 2.1 Importancia de la hidráulica durante las operaciones de perforación en función del comportamiento reologico y tixotropico del fluido de control ..................................... 3 2.2 Propiedades y parámetros reológicos y tixotrópicos que definen la hidráulica ..... 4 2.2.1 Clasificación y descripción de los fluidos. ...................................................... 5 2.2.1.1 Newtonianos. ............................................................................................ 7 2.2.1.2 No Newtonianos. ...................................................................................... 7 2.2.1.2.1 Independientes del tiempo. ................................................................ 8 2.2.1.2.2 Dependientes del tiempo. .................................................................. 9 2.2.2 Modelos reológicos. ...................................................................................... 11 2.2.2.1 Modelo de Newton. ................................................................................ 11 2.2.2.2 Modelo de Bingham. .............................................................................. 11 2.2.2.3 Modelo de Ley de potencias. .................................................................. 11 2.2.2.4 Modelo de Ley de potencias modificado. ............................................... 12 2.2.3 Determinación de las constantes reológicas y tixotrópicas. .......................... 12 2.2.3.1 Modelo de Newton. ................................................................................ 14 2.2.3.2 Modelo de Bingham. .............................................................................. 14 2.2.3.3 Modelo de Ley de potencias. .................................................................. 14 2.2.3.4 Modelo de Ley de potencias modificado. ............................................... 15 2.3 Diseño de la hidráulica. ........................................................................................ 15 2.3.1 Objetivo. ........................................................................................................ 16 2.3.2 Descripción de actividades. ........................................................................... 16 2.3.3 Procedimiento de cálculo............................................................................... 17 2.3.4 Optimización. ................................................................................................ 22 2.3.4.1 Criterios. ................................................................................................. 23 2.3.4.2 Procedimiento de cálculo. ...................................................................... 25 2.4 Sistema de control de sólidos. .............................................................................. 28 2.4.1 Línea de flote. ................................................................................................ 30 Pagina. ÍNDICE. vi 2.4.2 Temblorinas. .................................................................................................. 31 2.4.3 Trampa de arena. ........................................................................................... 32 2.4.4 Desgasificadores. ........................................................................................... 32 2.4.5 Hidrociclones. ................................................................................................ 33 2.4.6 Limpiador de lodos. ....................................................................................... 33 2.4.7 Centrifugas decantadoras. .............................................................................. 34 2.4.8 Tanques de lodo. ............................................................................................ 34 2.4.9 Sistemas de agitación. ................................................................................... 35 2.5 Presiones de empuje y succión generadas por el movimiento de tuberías. .......... 35 2.5.1 Descripción teórica. ....................................................................................... 36 2.5.2 Determinación y aplicación. .......................................................................... 37 2.6 Nomenclatura. ....................................................................................................... 39 III. Emulsión inversa. 3.1 Definición. ............................................................................................................ 41 3.2 Fundamentos del diseño. ...................................................................................... 41 3.2.1 Aspectos geológicos, litológicos y su problemática. ..................................... 42 3.2.1.1 Formaciones con presión anormal y presencia de gases. .......................42 3.3 Principios que rigen su estabilidad y comportamiento. ........................................ 49 3.3.1 Tensión interfacial. ........................................................................................ 50 3.3.2 Presión Osmótica. .......................................................................................... 52 3.3.3 Formación y estabilidad de suspensiones y dispersiones coloidales en medios oleosos. .................................................................................................................. 54 3.3.3.1 Tamaño de partícula. .............................................................................. 55 3.3.3.2 Factores que determinan su estabilidad. ................................................. 55 3.3.3.2.1 Agente emulsificante. ...................................................................... 56 3.3.3.2.1.1Desemulsificación. .................................................................... 56 3.3.3.2.2 Contenido de fases solidas y liquidas oleosas y acuosas. ................ 57 3.3.3.2.3 Electrolitos monovalentes y divalentes. .......................................... 58 3.3.3.2.4 Temperatura y presencia de ácidos. ................................................ 58 3.4 Densidad equivalente de circulación. Base que determina la densidad a emplear en formaciones con presión anormal. ......................................................................... 59 3.4.1 Geopresiones. ................................................................................................ 60 3.4.1.1 Presión poro. ........................................................................................... 61 3.4.1.2 Presión de fractura. ................................................................................. 62 3.4.1.3 Esfuerzo de sobrecarga. .......................................................................... 63 3.5 Fases que la integran. ............................................................................................ 62 3.5.1 Condiciones de los materiales y aditivos empleados en su elaboración........ 62 3.5.2 Materiales y aditivos. ..................................................................................... 63 3.5.2.1 Materiales. .............................................................................................. 64 3.5.2.1.1 Líquidos. .......................................................................................... 64 3.5.2.1.2 Sólidos. ............................................................................................ 64 3.5.2.2 Aditivos. ................................................................................................. 65 3.5.2.2.1 Orgánicos. ........................................................................................ 65 3.5.2.2.2 Inorgánicos. ..................................................................................... 66 3.6 Balance de materia para su elaboración y aplicación. .......................................... 66 3.6.1 Cálculos para su preparación, manejo y acondicionamiento. ........................ 68 3.7 Agentes contaminantes, problemática y medios para su control. ......................... 70 3.8 Usos, ventajas y desventajas. ................................................................................ 75 ÍNDICE. vii IV. Evaluación de parámetros reológicos y tixotrópicos en sistemas de emulsión inversa con densidad variable para definir la hidráulica que determine la limpieza del agujero. 4.1 Elaboración de sistemas con densidad variable. ................................................... 76 4.1.1 Resultados y presentación de este efecto. ...................................................... 81 4.1.1.1 Tablas y graficas. .................................................................................... 82 4.1.2 Selección de modelos matemáticos. .............................................................. 83 4.2 Simulación del comportamiento hidráulico de acuerdo a resultados experimentales. ........................................................................................................... 85 V. Manejo de la seguridad y protección ambiental en la elaboración y aplicación de la emulsión inversa. 5.1 Aspectos generales. .............................................................................................. 89 5.2 Clasificación de agentes contaminantes. .............................................................. 89 5.2.1 Tóxicos. ......................................................................................................... 90 5.2.2 Físicos. ........................................................................................................... 90 5.2.3 Medidas preventivas. ..................................................................................... 90 5.3 Protección personal. .............................................................................................. 91 5.3.1 Equipos de seguridad. .................................................................................... 92 5.3.1.1 Clasificación. .......................................................................................... 92 5.4 Aspectos ecológicos a considerar. ........................................................................ 93 5.4.1 Normatividad aplicable. ................................................................................ 94 5.4.2 Problemas y soluciones. ................................................................................ 95 Conclusiones y recomendaciones. ............................................................................... 96 Bibliografía. ................................................................................................................... 98 OBJETIVO viii Objetivo. • Definir los parámetros reológicos y tixotrópicos que determinan el comportamiento hidraúlico de la emulsión inversa para que se lleve acabo eficientemente la limpieza del agujero durante las operaciones de perforación de pozos petroleros, con el proposito de reducir operacionales fallidas, lo que maximizará la rentabilidad de los proyectos de explotación de hidrocarburos. ALCANCE ix Alcance. • Minimizar tiempos no productivos durante las operaciones de perforación de pozos petroleros debido a prácticas operacionales fallidas, consecuencia de un deficiente diseño, monitoreo y acondicionamiento de las propiedades reológicas y tixotrópicas del fluido del control previo y durante la aplicación del sistema en campo. INTRODUCCIÓN x Introducción. Desde la revolución industrial la energía en nuestro planeta ha sido un tema de suma importancia y desde hace casi un siglo los hidrocarburos se han mantenido en el primer lugar de las fuentes convencionales de energía existentes. Sin embargo la manera de obtenerlos cada vez se dificulta más, ya que la era del petróleo fácil se ha terminado. Los retos que la industria deberá enfrentar para saciar la demanda del petróleo y gas serán cada vez mayores en los próximos años. Debido a que los hidrocarburos son actualmente la base económica, política y social de nuestro país es necesario conocer los elementos que se requieren para llegar a los yacimientos productores para su explotación optima, puesto que el petróleo y gas hasta el momento y por lo menos hasta que no se encuentre una fuente alterna viable que los sustituya seguirán teniendo un impacto altamente significativo en el desarrollo económico nacional. La única forma deconocer la existencia de hidrocarburos en el subsuelo para así obtener ingresos de los mismos es perforar el área con potencial energético, es decir atravesar los estratos rocosos hasta llegar al yacimiento productor. El objetivo de la perforación incrementa su riesgo en formaciones con presiones anormales y presencia de gases, cuya litología esta compuesta principalmente por lutitas deleznables, las cuales al ir atravesando con fluidos de perforación base agua generan grandes problemas operacionales poniendo en riesgo la consecución del proyecto e incrementando así en gran medida la rentabilidad del mismo. Es así como en los años 70´s un grupo de especialistas en el sector energético asumieron el reto de diseñar un fluido de control que solucionara esta problemática, dando con esto origen a lo que hoy conocemos como Emulsión Inversa, el “lodo mágico”, el cual permitió perforar exitosamente estas formaciones, logrando con ello reducir en gran medida el numero de operaciones fallidas durante las operaciones de perforación de pozos petroleros. Se sabe que las lutitas componen más del 50% de la columna geológica de cualquier cuenca sedimentaria y que para llegar a las reservas de petróleo y gas es necesario atravesar las mismas de manera optima. Motivo por el cual se propuso realizar un análisis teórico y práctico del comportamiento de flujo de la Emulsión Inversa, fluido de control diseñado para perforar estas formaciones altamente problemáticas, estudio que permitirá definir el programa hidráulico a emplear durante la de perforación del pozo, de tal forma que si las propiedades del fluido de control se monitorean eficazmente y la hidráulica se diseñan correctamente el éxito de la perforación se asegura en gran medida. El presente trabajo de tesis ostenta dicho estudio, el cual consta de 5 capítulos descritos a continuación. El capítulo I presenta antecedentes relacionados con la importancia y la trascendencia de la emulsión inversa en la explotación de campos petroleros, incluyendo datos históricos de su diseño y aplicación en México y el mundo. INTRODUCCIÓN xi El capítulo II trata lo concerniente a la hidráulica y metodología de cálculo de la misma, analiza los parámetros y propiedades reológicas y tixotrópicas que definen el comportamiento de la energía proporcionada por el movimiento del fluido de control a través del sistema circulatorio del pozo. También se presenta el procedimiento de cálculo ingenieril para el diseño y optimización de la hidráulica a emplear, se incluye en el mismo el estudio de las partes que conforman el sistema integral de control mecánico de sólidos, además del análisis de las presiones generadas por el movimiento de las tuberías en cada viaje de entrada y salida al fondo del pozo, lo cual permite definir la influencia de esta en la estabilidad de las paredes del agujero y limpieza del mismo. El capítulo III comprende el estudio del sistema de emulsión inversa empleado como fluido de control en la perforación de pozos petroleros, inicialmente se presentan los fundamentos de su diseño, selección y aplicación, incluyendo el análisis de los principios físicos, químicos y fisicoquímicos que rigen su comportamiento, además de la densidad equivalente de circulación que tendrá al ser empleado como fluido de perforación, posteriormente se presentan las fases que la integran y las condiciones para su elaboración y empleo, incluyendo los agentes contaminantes, problemática y medios para su control, por último se realiza la comparación de las ventajas y desventajas del empleo de estos sistemas durante la perforación de formaciones lutíticas altamente problemáticas. El capítulo IV describe el procedimiento experimental escala laboratorio para la elaboración de sistemas de emulsión inversa comerciales y evaluación de sus propiedades reológicas y tixotrópicas, así mismo se presentan gráficos y tablas de su comportamiento de flujo que determina el modelo matemático que rige su hidráulica. Por ultimo se presenta la simulación del comportamiento hidráulico en base a resultados experimentales obtenidos del análisis escala laboratorio de estos sistemas de densidad variable, definiendo con esto la hidráulica óptima a emplear durante las operaciones perforación. El capítulo V hace énfasis en la importancia y trascendencia de la seguridad y protección ambiental durante la perforación y mantenimiento de pozos petroleros, también describe los principales contaminantes que se presentan en estas operaciones, así mismo se presentan medidas preventivas en el manejo de materiales peligrosos y el uso correcto del equipo de protección personal, por último se hace mención de la normatividad aplicada a la ecología en relación con los fluidos de perforación base aceite en México. Finalmente se presentan conclusiones y recomendaciones en función de los resultados experimentales seleccionados para la determinación de la hidráulica optima requerida para perforar formaciones lutíticas altamente problemáticas, empleando como fluido de perforación sistemas de emulsión inversa con densidad variable, lo cual permitirá llevar acabo eficientemente la limpieza del agujero, reduciendo así costos y riesgos técnicos y ambientales. CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 1 Capítulo 1: Antecedentes. 1.1 Trascendencia de la emulsión inversa en la explotación de campos petroleros. Debido a que los hidrocarburos actualmente son la base económica, política y social de nuestro país, es necesario conocer los elementos que se requieren para llegar a los yacimientos productores para su explotación óptima y así obtener ingresos de la venta de los mismos. También es necesario el conocimiento de la cadena de valor de los hidrocarburos como es la exploración, explotación, producción, refinación, gas y petroquímica básica y secundaria. La etapa de explotación es fundamental debido a que si no se tiene la comunicación del yacimiento con la superficie no se podría disponer de los hidrocarburos, las principales disciplinas relacionadas con esta área son Ingeniería de Yacimientos, Perforación y Producción de pozos. La construcción de un pozo petrolero involucra las siguientes etapas: perforación, cementación de tuberías y terminación del pozo. Perforación: Es la acción de penetrar los estratos de las diversas capas de roca hasta llegar a un punto definido del yacimiento. Para tal fin se utiliza un sistema rotatorio que consiste en hacer girar una barrena conectada a una tubería para romper la roca y penetrar las formaciones. Cementación: Es el proceso de colocar cemento entre la tubería de revestimiento y las paredes del pozo, su principal objetivo es la construcción de un ducto que permita establecer un flujo controlado del hidrocarburo hacia la superficie. Terminación: Etapa final de la perforación de un pozo petrolero, es el conjunto de operaciones que se realizan para comunicar a la formación productora con la superficie y así preparar el pozo para obtener la producción optima de hidrocarburos al menor costo, evitando dañar el yacimiento productor. La única manera de comprobar la existencia de hidrocarburos en el sitio donde la investigación geológica y geofísica propone que se podría localizar un yacimiento es perforar. CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 2 El proceso para perforar con éxito el agujero y construir el pozo requiere del empleo de sistemas hidráulicos, oleosos o neumáticos denominados fluidos de perforación; además de equipos, herramientas y personal capacitado, de la selección correcta de estos dependerá el éxito de la operación.Entre los fluidos de perforación que mejores resultados han aportado hasta nuestros días son los sistemas denominados de emulsión inversa, conocido en campo como “lodo mágico”, diseñado, patentado y licenciado en México por especialistas del Instituto Mexicano del Petróleo en los años setentas. El proyecto fue dirigido por la especialista en el diseño, selección y aplicación de fluidos de control la Química Rosa de Jesús Hernández Álvarez, desde su desarrollo en el laboratorio hasta la aplicación del sistema a escala industrial en campo. Este sistema desde su invención ha permitido la perforación exitosa de áreas terrestres y marinas con formaciones lutíticas altamente problemáticas que presentan presiones anormales y presencia de gases, logrando atravesar estratos rocosos compuestos principalmente de arcillas hidratables, las cuales no podían ser inhibidas con fluidos de perforación base agua, teniendo así grandes problemas operacionales lo cual maximizaban la rentabilidad de los proyectos de explotación a tal grado que en la mayoría de las veces se perdía el pozo. El éxito alcanzado con la emulsión inversa se ve reflejado hasta nuestros días, ya que permitió la explotación del área marina de Tabasco y la apertura de la sonda de Campeche, hecho histórico que posiciono a México en los años ochentas como el segundo productor de hidrocarburos a nivel internacional, su trascendencia en la sociedad es agradecida por todos aquellos involucrados de una u otra forma con la misma, pues creo miles de fuentes de trabajo en México y el mundo. Petróleos Mexicanos consiente de la importancia y trascendencia de esta tecnología tubo a bien otorgarle en la conmemoración de su 50 aniversario de existencia el segundo lugar en aportación tecnológica para México a la creadora del sistema, la Química Rosa de Jesús Hernández Álvarez, mujer valiente, audaz, honesta y temerosa de Dios, quien a lo largo de su basta y prestigiada carrera profesional trabaja día con día para y por un México mejor, con el único objetivo de formar capital humano con una visión integral y emprendedora, recurso que tiene como misión lograr en un futuro no muy lejano la estabilidad económica, política y social de nuestro país. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 3 Capítulo 2: Fundamentos teóricos que determinan la limpieza del agujero de acuerdo al comportamiento hidráulico. 2.1 Importancia de la hidráulica durante las operaciones de perforación en función del comportamiento reológico y tixotrópico del fluido de control. El proceso de perforación involucra para su realización dos energías: energía mecánica y energía hidráulica. La energía mecánica se refiere a la aplicación de la carga sobre barrena impuesta sobre el fondo del pozo, trasmitida a la formación a ser perforada por esta última, y a la velocidad de rotación impuesta en la barrena mediante la sarta de perforación y la mesa rotaria. Con esto, los elementos cortadores de la barrena realizan la función de rascar, triturar o fracturar las formaciones. La energía hidráulica proporcionada por el desplazamiento del fluido de control a través del sistema circulatorio del pozo, tiene como principal función la limpieza del fondo del pozo, dientes de la barrena y espacio anular del agujero. Con la aplicación de estas dos energías, se cumple con el fundamento básico de la perforación: destruir la roca, suspender y remover los recortes generados hacia la superficie, para ello necesariamente se requiere conocer el comportamiento reológico y tixotrópico del fluido de control durante el proceso de perforación, la hidráulica de la perforación se encarga de dicho estudio. Lo primero que se tiene que considerar en cualquier programa de hidráulica es la máxima presión disponible. Esto requiere conocer el tamaño de la bomba, la potencia del motor de la maquina, el tipo, tamaño y geometría de las barrenas, toberas, tuberías y accesorios a emplear. Una vez seleccionado el fluido de perforación a emplear, establecer si se debe utilizar barrenas con toberas y definir si el equipo tiene la potencia adecuada, finalmente el problema se centra en diseñar el programa de hidráulica óptimo que asegure cumplir con los siguientes objetivos: Incrementar la velocidad de penetración y la vida útil de la barrena, en función de una limpieza efectiva del fondo del agujero. Evitar o disminuir la excesiva erosión de las paredes del agujero, y no provocar derrumbes o deslaves. Controlar las perdidas de presión en el sistema integral de circulación. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 4 2.2 Propiedades y parámetros reológicos y tixotrópicos que definen la hidráulica. El flujo del fluido de control a través de la sarta de perforación, espacio anular, línea de succión y descarga es uno de los aspectos más importantes en la planeación de la perforación de un pozo. Por lo tanto, las características reológicas y tixotrópicas del fluido de perforación deberán de estar bien definidas, a fin de diseñar adecuadamente los requerimientos de potencia necesaria para circularlo. El diseño de sistemas de fluidos de perforación y su comportamiento de flujo a diferentes condiciones; así como el efecto de diversos contaminantes sobre los mismos, se obtienen a partir de un estudio que involucra un análisis de sus propiedades reológicas y tixotrópicas. Reología. Es la ciencia de la deformación y flujo de los materiales. Es la rama de la física que trata sobre la mecánica de los cuerpos deformables. Deformación. La deformación que sufren los materiales puede ser arbitrariamente dividida en dos tipos generales: Deformación espontáneamente reversible llamada elasticidad. Deformación irreversible denominada flujo. Elasticidad. Corresponde a una energía mecánicamente recuperable. Es decir, el trabajo empleado en deformar un cuerpo perfectamente elástico, es recuperado cuando el cuerpo es retornado a su forma original indeformada. Esta deformación es considerada como una función del esfuerzo. Flujo. Corresponde a la conversión de la energía mecánica en calor. El trabajo empleado en mantener el flujo es disipado en una forma de calor y no es mecánicamente recuperable. En el flujo, la deformación es una función del corte. Corte. El corte es un tipo de deformación muy importante. En donde el corte simple es un caso especial de una deformación laminar y puede ser considerado como un proceso, en el cual planos paralelos infinitamente delgados, se deslizan uno sobre otro; como en un paquete de naipes. Figura 2.1. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 5 Fluido. Se define como una substancia la cual tiende al desplazamiento bajo la acción de un esfuerzo de corte, no importando la consistencia de éste. En un fluido, los esfuerzos entre las partículas adyacentes son proporcionales al ritmo de deformación y tienden a desaparecer cuando cesa el movimiento. 2.2.1. Clasificación y descripción. Los fluidos pueden ser clasificados de acuerdo con su comportamiento bajo la acción de un esfuerzo cortante y a la velocidad de corte inducida por dicho esfuerzo resultante en un flujo laminar y unidireccional, a temperatura constante. Considere un sistema de dos placas paralelas separadas por un fluido. Las placas son infinitamente grandes con respecto a la separación entre ellas. Suponga que la placa superior se está moviendo con una velocidad ux + dux, en tanto que la placa inferior lo hace a una velocidad ux. Así, la velocidad de flujo adyacente a las placas es la misma que la velocidad de éstas. Por lo tanto,el fluido está sujeto a una deformación du/dy la cual es un gradiente de velocidad de corte . En tanto que la fuerza cortante F por área unitaria A, impuesta sobre el fluido y tendiente a causar el movimiento del mismo, es denominada esfuerzo cortante . Figura 2.2. a.- SIMPLE b.- ROTACIONAL c.- TELESCÓPICO d.- GIRO FIG. I-1.- DEFORMACIÓN LAMINARFigura 2.1.Deformación laminar. Los tipos de corte mostrados en b y c representan el tipo de flujo encontrado en viscosímetros rotacionales y capilares respectivamente. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 6 Así, para todos los fluidos existe una relación entre el esfuerzo cortante impuesto y la velocidad de corte resultante. Por lo tanto, la relación: )( f= Es única para cada tipo de fluido; siendo característica para un fluido bajo condiciones dadas de presión y temperatura. Esta relación funcional entre el esfuerzo y la velocidad de corte es conocida como la ecuación reológica o constitutiva del fluido. De esta manera, basados en la forma de las ecuaciones reológicas o en sus reogramas, los fluidos se clasifican en varios tipos. Así, los fluidos se clasifican principalmente en dos grandes grupos: fluidos puramente viscosos y fluidos que exhiben propiedades viscosas y elásticas, denominados fluidos viscoelásticos. Sin embargo, de acuerdo con su comportamiento bajo la acción de un esfuerzo cortante y la velocidad de corte inducida por dicho esfuerzo, los fluidos se clasifican como fluidos newtonianos y fluidos no-newtonianos. Figura 2.3. FIG. I.2.- RESPUESTA DE UN FLUIDO A LA ACCIÓN DE UN ESFUERZO PLACA DE ÁREA “A” MOVIENDOSE A UNA VELOCIDAD Ux+dUx Y EJERCIENDO UNA FUERZA “F” SOBRE EL FLUIDO PLACA DE ÁREA “A” MOVIENDOSE A UNA VELOCIDAD Ux FLUIDO MOVIENDOSE A UNA VELOCIDAD Ux+dUx FLUIDO MOVIENDOSE A UNA VELOCIDAD Ux dY Figura 2.2.Respuesta de un fluido a la acción de un esfuerzo de corte. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 7 2.2.1.1 Newtonianos. Los fluidos newtonianos o ideales son aquellos cuyo comportamiento reológico puede ser descrito de acuerdo con la Ley de la viscosidad de Newton. Es decir, son aquellos fluidos que exhiben una proporcionalidad directa entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de corte inducida. Figura 2.4. 2.2.1.2 No Newtonianos. Los fluidos no-Newtonianos son aquellos fluidos que no se comportan de acuerdo con la Ley de la Viscosidad de Newton. Por exclusión, en este grupo se incluye a todos los fluidos que no exhiben una relación directa entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. A su vez, éstos pueden ser subdivididos en dos grupos: Fluidos Independientes del Tiempo y Fluidos Dependientes del Tiempo. TABLA II.- CLASIFICACIÓN REOLÓGICA DE LOS FLUIDOS F L U ID O S VISCOELÁSTICOS PURAMENTE VISCOSOS NEWTONIANOS NO-NEWTONIANOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO • PLÁSTICOS DE BINGHAM • SEUDOPLÁSTICOS • DILATANTES • SEUDOPLÁSTICOS CON PUNTO DE CEDENCIA • DILATANTES CON PUNTO DE CEDENCIA DEPENDIENTES DEL TIEMPO • TIXOTRÓPICOS • REOPÉCTICOS Figura 2.3.Clasificación reológica de los fluidos. Figura 2.4. Fluido Newtoniano. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 8 2.2.1.2.1 Fluidos independientes de tiempo. Son así denominados debido a que sus propiedades reológicas no cambian con la duración del corte o con su historia de corte. Entre éstos se encuentran los Fluidos Plásticos de Bingham, Seudoplásticos, Dilatantes, y Seudoplásticos y Dilatantes con Punto de Cedencia. Fluidos Plásticos de Bingham. Son un caso idealizado de los fluidos no-Newtonianos; pues a fin de iniciar su movimiento se requiere vencer un esfuerzo inicial finito, denominado punto de cedencia. Una vez que dicho esfuerzo inicial ha sido excedido, estos fluidos exhiben una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Figura 2.5. Fluidos Seudoplásticos. Son aquellos fluidos para los cuales un esfuerzo cortante infinitesimal iniciará su movimiento y para el cual el ritmo de incremento en el esfuerzo cortante decrece conforme se incrementa la velocidad de corte. Figura 2.6. Figura 2.5. Fluido Plástico de Bingham. Figura 2.6. Fluido Seudoplástico. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 9 Fluidos Dilatantes. Estos fluidos presentan un comportamiento similar a los Fluidos Seudoplásticos, con la diferencia de que en los Fluidos Dilatantes el ritmo del incremento del esfuerzo cortante con la velocidad de corte se incrementa. Figura 2.7. Fluidos Seudoplásticos y Dilatantes con punto de cedencia. Son aquellos fluidos que exhiben un esfuerzo inicial finito o punto de cedencia, como en el caso de los Fluidos Plásticos de Bingham; una vez que el esfuerzo de cedencia ha sido excedido, su comportamiento esfuerzo-deformación se asemeja al comportamiento de los Fluidos Seudoplásticos o Dilatantes. Figura 2.8. 2.2.1.2.2 Fluidos dependientes de tiempo. Estos fluidos se caracterizan porque sus propiedades reológicas varían con la duración del esfuerzo cortante y velocidad de corte, dentro de ciertos límites. Los Fluidos Dependientes del Tiempo se subdividen en: Fluidos Tixotrópicos y Fluidos Reopécticos. Figura 2.7. Fluido Dilatante. Figura 2.8. Fluido Seudoplástico y Dilatante con Punto de Cedencia. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 10 Fluidos Tixotrópicos. Son aquellos fluidos en los cuales el esfuerzo cortante decrece con la duración del corte. Figura 2.9. Fluidos Reopécticos. A diferencia de los Fluidos Tixotrópicos, en los Fluidos Reopécticos el esfuerzo cortante se incrementa conforme se incrementa la duración del corte. Figura 2.10. Fluidos Viscoelásticos. Son así denominados debido a que presentan características intermedias entre los fluidos puramente viscosos y los sólidos puramente elásticos. Son aquellos que se deforman bajo la acción de un esfuerzo de corte y retornan a su forma original cuando cesa la acción de dicho esfuerzo. Figura 2.9. Fluido Tixotrópico. Figura 2.10. Fluido Reopéctico. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 11 2.2.2 Modelos reológicos. La descripción reológica de los fluidos ha sido expresada mediante relaciones matemáticas complejas. Algunas de las relaciones empleadas para describir a estos fluidos han sido aplicadas al comportamiento reológico de los fluidos de perforación, terminación y reparación de pozos petroleros. Por lo tanto, los fluidos de perforación pueden ser representados por varios modelos reológicos o ecuaciones constitutivas; entre las cuales, las más empleadas son el modelo de Bingham, Ostwald-de Waele y Herschel-Bulkley. 2.2.2.1 Modelo de Newton. Este modelo propuesto por Newton, representa a los fluidos ideales. Es decir, caracteriza a aquellos fluidos cuya relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte es lineal. La constante de proporcionalidad, conocida como coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad, es suficiente para describir su comportamiento de flujo. Matemáticamente, esta relación se expresa como: g = c Donde es la viscosidad absoluta, viscosidad Newtoniana o simplemente viscosidad. Esta viscosidad permanece constante a cualquier velocidad de corte; siempre y cuando el flujo sea laminar y las propiedades del fluido permanezcan inalterables. 2.2.2.2 Modelo de Bingham. Este tipo de fluidos es el más simple de todos los fluidos no-Newtonianos,debido a que la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte exhibe una proporcionalidad directa, una vez que un esfuerzo inicial finito, necesario para iniciar el movimiento, ha sido excedido. A este esfuerzo inicial se le denomina punto de cedencia, y; en tanto que la pendiente de la porción lineal del reograma es conocida como coeficiente de rigidez o simplemente viscosidad plástica, p. Así, el modelo de Bingham esta representado como: y c p g = 2.2.2.3 Modelo de Ley de potencias. El modelo de Ostwald de Waele, comúnmente conocido como modelo de Ley de Potencias, es uno de los más usados en el campo de la ingeniería y una de las primeras relaciones propuestas entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Esta relación está caracterizada por dos constantes reológicas y expresada como: CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 12 n K = En donde el índice de consistencia K, es un término semejante a la viscosidad e indicativo de la consistencia del fluido. Es decir, si el valor de K es alto, el fluido es más "viscoso" y viceversa. En tanto que el índice de comportamiento de flujo n, es una medida de la no-Newtonianidad del fluido. Entre más alejado de la unidad sea el valor de n, más no-Newtoniano es el comportamiento del fluido. 2.2.2.4 Modelo de Ley de potencias modificado. El modelo de Herschel - Bulkley, también conocido como modelo de Ley de Potencias con Punto de Cedencia, fue propuesto con el fin de obtener una relación más estrecha entre el modelo reológico y las propiedades de flujo de los fluidos Seudoplásticos y Dilatantes con punto de cedencia. Este modelo está representado por: y n +K = Donde y representa un esfuerzo inicial o punto de cedencia. Las constantes n y K tienen un significado similar a las constantes reológicas del modelo de Ley de Potencias. Este modelo es más general que los anteriores. Es decir, los modelos de Newton, Bingham y Ostwald-de Waele son soluciones particulares de éste; pues si n es igual a la unidad y y es cero, el modelo se reduce a la Ley de Newton; en tanto que si y es diferente de cero, este modelo representa al modelo de Bingham, con K = p/gc. Por otro lado, si n es diferente de la unidad y y es cero, resulta el modelo de Ley de Potencias. 2.2.3 Determinación de las constantes reológicas y tixotrópicas. Se debe tener en mente que el término "viscosidad" es apropiado solamente para fluidos newtonianos. Para los fluidos no-Newtonianos, este término no tiene sentido, al menos en sentido estricto. Sin embargo es común referirse a la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte como un término de viscosidad, esto es: cg De tal manera que para fluidos no-Newtonianos, el término "viscosidad" significa exactamente la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte, y y , cualquiera que sea la relación existente entre ambas, = f(). Por este motivo, la viscosidad deberá ser especificada a una velocidad de corte determinada. En este trabajo, se considerará el viscosímetro Fann 35-VG, comúnmente empleado en la industria petrolera, equipado con la combinación estándar de bob- camisa y resorte de torsión No. 1, por ser éstos los suministrados con cada aparato. Figura 2.11. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 13 Para el viscosímetro rotacional de campo y la combinación bob-camisa estándar y resorte de torsión No. 1, se tiene: Por lo que el esfuerzo de corte estará definido por la ecuación: FIG. I.10.- VISCOSÍMETRO ROTACIONAL FANN 35-VG Marca registrada de NL/Baroid/NL Industries, Inc.Figura 2.11. Viscosímetro Rotacional Fann 35. Rc = 1.8420 cm. Rb = 1.7250 cm. he = 4.0500 cm. = 1.0678 KR = 387.0000 dinas- cm/grado. h e = 4 . 0 5 0 0 c m . = (4.050) (1.725) 2 387 he Rb 2 K 22 R A F b 2cm dinas 1109.5 b CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 14 Y en unidades prácticas: Donde θ = Lectura Fann, deflexión del resorte (grados). Por otro lado la velocidad de corte esta definida por la ecuación: Donde N = Velocidad de rotación de la camisa (RPM). 2.2.3.1 Modelo de Newton. Viscosidad del fluido a cualquier velocidad de corte. 2.2.3.1 Modelo de Bingham. Viscosidad plástica: cp 300600p Punto de cedencia: 2.2.3.2 Modelo de Ley de potencias. Índice de comportamiento de flujo: adim log 32.3n 300 600 Índice de consistencia: 2n 300 n 600 pies 100 nseg-flb 5111022 K 2 f pies100 lb 067.1 b 1-06782.1 06782.1 15 N 1- 15 N 2 2 2 2 w -1seg N 703.1w cp N 300 2pies 100 flb 300 py CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 15 2.2.3.3 Modelo de Ley de potencias modificado. Punto de cedencia: Índice de comportamiento de flujo: adim log 32.3n o300 o600 Índice de consistencia: 2n o300 n o600 pies 100 nseg-flb 5111022 K 2.3 Diseño de la hidráulica. Figura 2.12. Sistema circulatorio del pozo. 0 y CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 16 La utilización apropiada de la potencia hidráulica de la bomba es uno de los factores de mayor importancia en las operaciones de perforación rotatoria. Por lo tanto, con la finalidad de emplear la energía hidráulica disponible del equipo, en una forma más eficiente, se requiere del entendimiento de los componentes del sistema circulatorio del pozo, los cuales consumen potencia; así como de la determinación analítica de la presión existente en varios puntos del sistema hidráulico del pozo. Figura 2.12. La determinación de las caídas de presión por fricción en las diferentes secciones del pozo se basa principalmente en las leyes que rigen la mecánica de los fluidos y la aplicación de las siguientes leyes físicas de la dinámica de fluidos: a) Ecuación de Energía o Ley de la Conservación de Energía. b) Ecuación de Continuidad o Ley de la Conservación de Masa. c) Ecuación de Momento o la aplicación de la Segunda Ley de Newton. Por lo tanto, las ecuaciones que describen el comportamiento de flujo del fluido de perforación son obtenidas a partir de la aplicación de las leyes anteriores, en combinación con el modelo reológico y la correspondiente ecuación de estado. 2.3.1 Objetivo. Se fundamenta en establecer la secuencia de cálculos de diseño para determinar los parámetros hidráulicos que permiten lograr una óptima limpieza del agujero para alcanzar altos ritmos de penetración durante la perforación de pozos petroleros. 2.3.2 Descripción de actividades. El diseño de la hidráulica de perforación tiene que ver con: Determinar el gasto óptimo y el tamaño de toberas adecuadas para lograr una eficiente limpieza del agujero para maximizar el ritmo de perforación. Conocer el modelo reológico de acuerdo al cual el fluido de perforación se comporta. Existen dos criterios principales para aprovechar la máxima energía disponible (mecánica o hidráulica) en superficie optimizando la hidráulica con el objetivo de limpiar el fondo del agujero para alcanzar altos ritmos de penetración: Máximapotencia hidráulica: Se recomienda aplicarlo cuando se tiene la limitante de utilizar altos gastos, debido a las elevadas caídas de presión en el sistema de circulación para condiciones de pozos profundos, altas densidades y agujeros reducidos. El indicador de potencia esta dado en HSI (por sus siglas en inglés) se refiere a caballos de potencia hidráulica por pulgada cuadrada. Máxima fuerza de impacto en las toberas: Se recomienda aplicar altos gastos para alcanzar una adecuada velocidad anular, que permita la limpieza a lo largo del pozo, especialmente para el caso de las etapas superficiales e intermedias. El indicador de fuerza de impacto esta dado en lbfuerza (Fj). CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 17 2.3.3 Procedimiento de cálculo. A) Datos mínimos requeridos: Estado mecánico del pozo. Potencia y Eficiencia de la bomba (HP). Diámetros interiores y exteriores expuestos al flujo. Tipo de conexiones superficiales de control y presión máxima. Densidad y reología del fluido. Diámetro de la barrena. B) Con fines de Diseño debe aplicarse el modelo reológico de Ley de Potencias Modificado. Mientras que durante el desarrollo de la perforación debe corroborarse el modelo reológico que ajuste a las condiciones reales del fluido graficando en coordenadas cartesianas las lecturas obtenidas del viscosímetro Fann vs. Velocidad del rotor. Ajustar una línea de tendencia que mejor ajuste a los datos obtenidos. Figura 2.13. C) Calcular el gasto máximo y mínimo disponible por la bomba. El gasto mínimo puede obtenerse de dos formas. La primera con base a la velocidad de deslizamiento de una partícula en el espacio anular y la segunda con base a reglas de dedo o experiencia de campo. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 Le ct u ra d e l v is co sí m e tr o Velocidad del rotor, rpm Models reológicos Plástico de Bingham Newtoniano Ley de potencias Modelos Reológicos Figura 2.13. Graficas de las lecturas obtenidas con el viscosímetro Fann 35. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 18 C.1) Cálculo del gasto mínimo con base a la velocidad de deslizamiento (vsl). Existen 3 correlaciones para calcular la velocidad de deslizamiento (vsl) de una partícula sólida inmersa en un fluido No-Newtoniano, Moore, Chien y Walker & Mayes; sin embargo se recomienda utilizar aquella planteada por Moore y que asume que la partícula se encuentra en un flujo transitorio. C.1.1) Calcular la velocidad de deslizamiento del recorte. ( ) C.1.2) La velocidad anular requerida para desplazar el recorte del espacio anular hacia superficie es entonces: C.1.3) El gasto mínimo para tener limpio el espacio anular será entonces: ( ) C.2) De acuerdo a una regla de dedo conocida. Se dice que una velocidad anular de 120 ft/min (2 ft/seg) es capaz de lograr una adecuada limpieza de recortes del espacio anular. Entonces el gasto mínimo se calcula directamente con la ecuación anterior. Es importante notar que la velocidad anular en la ecuación mencionada se encuentra en ft/seg. Hasta ahora se tienen conocidos los límites del programa de hidráulica: Presión máxima de la bomba Pmax Dato Máxima potencia de la bomba PHP Dato Gasto máximo disponible qmax Ecuación (1) Gasto mínimo requerido qmin Ecuación (4) D) Asumir un gasto de bombeo promedio entre el máximo y el mínimo para predecir el comportamiento de las caídas de presión parásitas. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 19 E) Cálculo de las caídas de presión. Recordando que la presión de bombeo necesaria para circular el fluido a través del sistema hidráulico del pozo, es igual a la suma de las caídas de presión por fricción en cada una de las secciones que lo componen; es decir: Las caídas de presión parásitas (Pd) son aquéllas caídas registradas en todo el sistema de circulación excepto en la barrena, es decir, la ecuación (6) se puede reducir a: E.1) Caída de presión en las conexiones superficiales. Incluyen el tubo vertical, la manguera, la unión giratoria y la flecha; está en función de la clase o tipo según la IADC. En la tabla 2.1, se describen las clases y el coeficiente a utilizar. Componente TIPO I C= 1.00 TIPO II C= 0.36 Longitud, m DI, in Longitud, m DI, in Tubería vertical 12 3 12 3 ½ Manguera 13.7 2 16.7 2 ½ Unión giratoria 1.2 2 1.6 2 ½ Flecha 12 2 ¼ 12 3 ¼ Componente TIPO III C= 0.22 TIPO IV C= 0.15 Longitud, m DI, in Longitud, m DI, in Tubería vertical 13.7 4 13.7 4 Manguera 16.7 3 16.7 3 Unión giratoria 1.6 2 ½ 1.8 3 Flecha 12 3 ¼ 12 4 Tabla 2.1 La ecuación a emplear es: ( ) Donde f está en g/cc. E.2) Calcular la velocidad en el interior de la tubería de perforación y del ensamble de fondo de acuerdo al gasto utilizado. ̅ CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 20 E.3) Calcular el régimen de flujo de acuerdo al modelo Ley de Potencias Modificado, empleando las ecuaciones para calcular las caídas de presión por fricción de la tabla 2.2. E.4) Calcular las caídas de presión de acuerdo modelo reológico y al régimen de flujo empleando la tabla 2.2. TABLA 2.2 Modelo Newtoniano Modelo Plástico de Bingham Modelo Ley de Potencias Parámetros de comportamiento de flujo ( ) Criterio de Turbulencia Interior de tubería ̅ ̅ extrapolando hasta la línea recta inclinada ̅ ( ) Modelo Newtoniano Modelo Plástico de Bingham Modelo Ley de Potencias Espacio anular ̅ ̅ [ ] CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 21 ̅ Caídas de presión por fricción para Flujo Laminar. Interior de tubería ̅ [ ̅ ] ̅ ( ) Espacio anular ̅ [ ̅ ] ̅ ( ) Caídas de presión por fricción para Flujo Turbulento. Interior de tubería ̅ ̅ ̅ f se obtiene de la gráfica D.2 en la intersección del valor de n y el NRe Espacio anular ̅ ̅ ̅ f se obtiene de la gráfica D.2 en la intersección del valor de n y el NRe CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN22 E.5) Calcular la caída de presión en la barrena. E.6) Calcular la velocidad en el espacio anular. ̅ ( ) E.7) Calcular el régimen de flujo de acuerdo al modelo reológico determinado. Ver tabla 2.2 para consultar las ecuaciones. E.8) Calcular las caídas de presión de acuerdo al régimen de flujo. Ver tabla 2.2 para consultar las ecuaciones de acuerdo al modelo reológico y al régimen de flujo. Interior Anular Componente Long. Velocidad Flujo Pf Velocidad Flujo Pf TP Pdp Pdpa HW Phw Phwa DC Pdc Pdca E.9) Calcular la caída de presión parásita total (pd), de la ecuación (6): 2.3.4 Optimización de la hidráulica. El empleo óptimo del caballaje hidráulico o potencia hidráulica de la bomba de lodos es uno de los aspectos de mayor importancia en las operaciones de perforación, especialmente en lo que a la optimización de ésta se refiere. Por este motivo, es necesario tener el conocimiento del equipo hidráulico superficial y sus componentes; así como de la evaluación analítica de la energía hidráulica disponible; asociándose generalmente el término potencia hidráulica con el empleo en el campo de las barrenas con toberas. La principal función de las toberas de la barrena es la de mejorar la acción de limpieza del fluido de perforación en el fondo del pozo, incrementando de esta manera la velocidad de perforación y la vida útil de la barrena, mediante la remoción "casi inmediata" de los recortes generados, y permitir así que los dientes de la barrena incidan sobre formación virgen. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 23 Por lo tanto, la aplicación de un nivel adecuado de la energía hidráulica disponible en el fondo del pozo, producirá un incremento sustancial en la velocidad de penetración; ya que si se logra obtener una "limpieza perfecta" en el fondo del pozo, los recortes serán removidos con la misma rapidez con que se generan. De lo antes expuesto es posible establecer que el principal objetivo de la optimización de la hidráulica de perforación es el de maximizar una función objetivo que permita obtener una limpieza eficiente del fondo del pozo y de la barrena. 2.3.4.1 Criterios de optimización. La práctica de campo ha demostrado que la velocidad de perforación se incrementa conforme la energía hidráulica disponible en el fondo del pozo se incrementa; aumentando así la efectividad del empleo de las barrenas de chorro. Sin embargo, una vez que se alcanza un nivel de limpieza "perfecta", cualquier aumento de la energía hidráulica en la barrena ya no trae consigo un aumento en la velocidad de penetración. Con el propósito de calcular las condiciones hidráulicas apropiadas de operación se pueden aplicar dos criterios, los cuales establecen que al cumplirse cierta condición se alcanzan las condiciones óptimas de hidráulica, como se muestra a continuación. Criterio: Máxima Potencia Hidráulica en la barrena. Condición a cumplir: Criterio: Máxima Fuerza de Impacto en las toberas. Condición a cumplir: m, es la pendiente de la línea recta en una gráfica log-log de las caídas de presión parásitas (Pd) vs gasto (q) de bombeo, como se muestra en la figura 2.14. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 24 Existen dos formas de conocer el valor de la pendiente. En teoría se considera que m tiene un valor cercano a 1.75. Sin embargo, la forma más exacta de obtener este valor es midiendo la presión de bombeo con dos gastos distintos en el equipo, es decir se tendría que : a) Medir físicamente en el equipo (q1, pp1) y (q2, pp2). b) Calcular la caída de presión en la barrena para cada gasto aplicando la ecuación (10). c) Calcular la caída de presión parásita de la ecuación (7). d) Calcular la pendiente de la recta: ( ) ( ) 100,00 1.000,00 10.000,00 100 1000 P d , p si q, gpm 8000 ft qmin qmax ppmax qmin qmax m (q, pd) Figura 2.14. Obteniendo un par ordenado correspondiente a la profundidad de análisis (qpromedio, Pd). CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 25 2.3.4.2 Procedimiento para la optimización de la hidráulica. A) Conocido el valor de m, realizar una gráfica de caídas de presión parásitas (Pd) vs gasto (q) en escala log-log, graficar una línea con pendiente m (el valor calculado con la ecuación 15) y que pase por el par ordenado (qpromedio, Pd) calculado en el punto E anterior, con la ecuación de la recta. [ ( ( ) ) ] Donde X es cualquier gasto mayor y menor del dato conocido (qpromedio) para el cual se calculará su correspondiente caída de presión parásita (Y) con el objeto de formar una línea recta que pasa por el par ordenado conocido (qpromedio, Pd) y con pendiente m. B) Calcular las caídas de presión parásita ocurrida a la presión de bombeo máxima de acuerdo al criterio de optimización seleccionado. Ecuaciones (13) o (14), observe que el valor de pp se refiere a la presión máxima disponible por la bomba en superficie. Con lo cual se obtiene el valor de Pd óptimo. C) Regresar a la gráfica log-log del punto A, entrar con el valor Pd óptimo e interceptar de forma horizontal la recta con pendiente m. El gasto donde intercepta a la recta se conoce como el gasto óptimo (qopt). Figura 2.15. D) Calcular la caída de presión disponible en la barrena para las condiciones óptimas, utilizando la ecuación (7): 100,00 1.000,00 10.000,00 100 1000 P d , p si q, gpm 8000 ft DPdmax qmin qmax ppmax qmin qmax m (q, pd) qopt pd opt Figura 2.15. qóptimo vs Pd óptimo. Deacuerdo al criterio de optimización seleccionado. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 26 E) Calcular el área (TFA) y diámetro de las toberas de acuerdo a las condiciones óptimas de gasto y caídas de presión, despejando de la ecuación (10) √ √ El diámetro de las toberas obtenido a partir de la ecuación (20) está dado en 32 vos de pulgada. F) Calcular el HSI (Potencia hidráulica por unidad de área). G) Calcular la fuerza de impacto, Fj. √ H) Calcular la relación de transporte de recortes, FT. a) A partir del gasto óptimo conocido, calcular la velocidad anular frente a los lastrabarrenas y frente a la tubería de perforación aplicando la ecuación (11) ̅ ( ) Dado que se tiene conocida la velocidad de deslizamiento de los recortes (vsl) desde la ecuación (2), entonces la relación de transporte de recortes está dada por: ̅ Para asegurar la limpieza del espacio anular, la relación de transporte debe ser mayor a 0.5. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 27 I) Calcular la Densidad Equivalente de Circulación a gasto óptimo, ECD por sus siglas en inglés. Es común expresar la presión total en cualquier punto del sistema en términos de una densidad de lodo equivalente. ∑ J) Las condiciones óptimas de operacióncalculadas serán: Profundidad q opt, gpm Pd, psi Pbna, psi At, in 2 ECD dt, in FT, adim dt1, dt2,.. GASTO P O T E N C I A Qopt HPbopt POTENCIAHIDRAULICAPRO- PORCIONADA POR LA BOMBA POTENCIAHIDRAULICA EN LA BARRENA PERDIDADEPOTENCIAEN EL SISTEMA CIRCULATORIOMAXIMAPOTENCIA HIDRAULICAENLA BARRENA GASTOOPTIMOPARA OBTENER LA MAXIMA POTENCIAHIDRAULI- CA EN LA BARRENA INCREMENTODEPOTENCIA EN LA BARRENA DECREMENTODEPOTENCIA EN LA BARRENA INCREMENTO DE LA VELOCIDAD ANULAR INCREMENTO DE LA VELOCIDAD DEL FLUIDO A TRAVES DE LAS TOBERAS INCREMENTO DE LAS PERDIDAS DE PRESION POR FRICCION EN EL SISTEMA FIG. III.1.- BALANCE ENTRE LOS ELEMENTOS DE LA HIDRAULCA Balance entre los elementos de la Hidraúlica. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 28 2.4 Sistema de control de sólidos. El equipo de control de sólidos tiene como propósito mantener las propiedades físicas, químicas y fisicoquímicas del fluido de control, a través de una separación progresiva y eficiente de los sólidos perforados del mismo, considerando su tamaño de partícula y permitiendo que cada equipo optimice el desempeño del siguiente. Teoría del control de sólidos. Objetivos del control de sólidos. a) Maximizar la extracción de sólidos perforados. b) Minimizar la pérdida de lodo. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 29 Disminuye la pérdida de sólidos comerciales. Recupera lodo limpio casi al 100%. c) Reducir el impacto ambiental. Menos volumen total de deshechos. Menos humedad de deshechos, más fácil de manejar. Efectos de sólidos perforados. a) Disminuyen el ritmo de perforación, ROP. Cabeza hidrostática más alta. Desgaste excesivo de los dientes de la barrena. Menor velocidad de perforación. Atrapamiento de tuberías. b) Incremento de reología y tixotropía. Incremento en el punto de cedencia del fluido. Menos eficiencia de los equipos mecánicos de separación de sólidos. - Uso de mallas más grueso. - Gastos de asentamiento más bajos. (Ley de Stokes). Costos de dilución y tratamiento químico más alto. Embolamiento de la barrena. c) Aumento de abrasión. Afecta bombas y repuestos. Daña el equipo de control de sólidos. Deteriora las turbinas. Altera las lecturas del MWD. Disminuye el tiempo de vida de la barrenas. Desgasta las tuberías. Erosiona las paredes del agujero. e) Formación de un enjarre de mala calidad. Enjarre muy grueso. - Aumenta el torque y arrastre. - Posible causa de pega diferencial. Disminuye el control de filtrado. - Daño a las formaciones. - Atrapamiento y derrumbes. - Altera la interpretación de los registros. Cementaciones deficientes. Perdida de circulación. Daña el yacimiento productor. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 30 Beneficios del control de sólidos. Los principales componentes del sistema de control de sólidos, son: Línea de flote. Temblorinas. Trampas de arena. Desgasificadores. Hidrociclones. Limpiador de lodos. Centrifugas decantadoras. Tanques de lodo. Sistemas de agitación. 2.4.1 Línea de flote. Se refiere a forma y geometría de las líneas de descarga del lodo antes de llegar a las temblorinas. La configuración recomendada para la línea de flote, tomando como base las altas velocidades de perforación esperadas es la mostrada en la figura 2.16. BENEFICIOS DEL CONTROL DE SÓLIDOS. MANTIENE LAS PROPIEDADES DEL LODO. AUMENTA EL RITMO DE PERFORACIÓN. MEJORA LA VIDA UTIL DE LOS EQUIPOS. REDUCE COSTOS DE OPERACIÓN. AUMENTA LA RENTABILIDAD DE LOS PROYECTOS DE EXPLOTACIÓN.. MANTIENE LA ESTABILIDAD DEL AGUJERO. PREVIENE PERDIDA DE CIRCULACIÓN. REDUCE LA FILTRACION Y MEJORA EL ENJARRE. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 31 2.4.2 Temblorinas. Las Temblorinas es el único aparato removedor de sólidos que hace una separación basada en el tamaño físico de las partículas. La operación de la temblorina esta en función de: Norma de la vibración (tipos de movimientos). Dinámica de la vibración (contrapesas). Tamaño de la cubierta y su configuración. Características de las mallas (tamaño y condición de la superficie). Reología del lodo (especialmente densidad y viscosidad). Descarga de sólidos (ROP y GPM). Las recomendaciones del API consisten en instalar suficientes temblorinas para procesar 125% del volumen de circulación de lodo máximo esperado para el pozo, utilizando a su vez las mallas más finas posibles y considerando el aspecto económico. Temblorinas primarias. El principal objetivo de estas temblorinas es separar los sólidos grandes provenientes del pozo. Se debe asegurar que el tiempo de retención sea mínimo y que la alimentación garantice que no se presente excesiva acumulación de recortes. Figura 2.17. Figura 2,17. Movimientos básicos de las temblorinas primarias. Figura 2.16. Arreglo óptimo del múltiple de la línea de flote, con divisor de línea de flujo. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 32 Temblorinas secundarias. El objetivo principal es contar con suficiente capacidad de temblorinas para procesar en forma continua las velocidades de circulación completas del equipo de perforación, así como separar por lo menos el 85% de los sólidos perforados. 2.4.3 Trampa de arena. Dispositivo colocado debajo de las temblorinas primarias, debe vaciarse los sólidos periódicamente, especialmente cuando se utilice fluido base agua. No se recomienda descargar la trampa de arena con el lodo base aceite debido a que se pierde líquido valioso. Las trampas de arena juegan un papel importante en virtud de que protegen los equipos de control de sólidos, contra la erosión de mallas de temblorina al separar aquellas partículas grandes que pudieran obstruir a los hidrociclones o en su defecto, reducir la efectividad del equipo. El lodo proveniente de la trampa de arena debe rebosar sobre la parte superior del compartimiento de la trampa de arena hacia el siguiente compartimiento donde el desarenador succiona. 2.4.4 Desgasificadores. La presencia de gas en el lodo puede ser dañino para los equipos de perforación, así como un problema potencial en el control de pozo, además de que es letal si es toxico o inflamable. Por tal razón, es importante el uso de los desgasificadores. Hay dos tipos de desgasificadores: Desgasificadores atmosféricos: Aceptable en lodos de baja densidad y viscosidad. Figura 2.18. Desgasificadores de aspiración o de vacío: Son superiores a los atmosféricos y muy usados para lodos pesados y de alta viscosidad. Figura 2.19. Las bombas centrifugas, los hidrociclones y otras bombas del equipo pierden eficiencia si el lodo tiene gas. Figura 2.18. Desgasificador atmosférico. Figura 2.19. Desgasificador de vacío. CAPÍTULO 2 HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 33 2.4.5 Hidrociclones. Los hidrociclones son recipientes en forma cónica, en los cuales la energía de presión se transforma en fuerza centrifuga. La fuerza centrifuga creada por este movimiento del lodo en el cono, forza a las partículas más pesadas contra la pared del cono y se descargan por el fondo, las partículas más livianas son succionadas hacia la parte superior del cono por el efecto de vacío. Los hidrociclones están clasificados por su tamaño como desarenadores o desarcilladores. Desarenadores.
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